一种柔性加筋土桥台筋材内力计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于公路桥梁桥台技术领域，更具体地，涉及一种柔性加筋土桥台筋材内 力计算方法。
【背景技术】
[0002] 土工合成材料加筋土柔性桥台，由于造价低，在桥梁荷载的作用下变形小，且能够 很大程度地缓解刚性桥台所带来的桥头跳车问题，近年来在国外中小跨度公路桥梁的建设 和改造中得到广泛应用，其在我国的应用也正在推广。该类桥台结构主要由干砌混凝土模 块面板、土工合成材料筋材、压实填土材料、以及加筋土地基四部分组成。桥台结构建造时 分层压实填土材料，填土材料中隔一定间距铺设土工格栅或土工织物筋材形成加筋土，加 筋土前方设厚度较薄的模块式干砌混凝土面板，筋材置于面板模块之间，通过摩擦作用提 供筋材与面板之间的连接强度。与一般的加筋土挡土墙相比，土工合成材料加筋土柔性桥 台承受较大的竖向桥梁荷载，因此，填土材料采用碎石土或级配良好砂土，压实度要求高； 且加筋土桥台的筋材刚度高，筋材间距小。根据美国联邦公路局（FHWA)的规定，加筋土桥 台的筋材竖向间距小于〇. 3m，且在简支桥梁支撑下方需设置承载区，其筋材竖向间距小于 0. 15m〇
[0003] 土工合成材料加筋土柔性桥台的这些特点使得其筋土相互作用及筋材内力特征 与一般土工合成材料加筋土挡墙有较大区别。一般土工加筋土挡墙如忽略面板的作用，其 填土材料接近主动极限状态，因此筋材内力可借助主动土压力理论进行计算。但由于土工 合成材料加筋土柔性桥台有严格的压缩变形要求，在设计桥梁荷载的作用下，其填土材料 应力状态应未到达主动极限状态，这时如借助主动土压力理论计算筋材内力，所得到筋材 内力偏小，会给加筋土桥台的运行带来安全隐患；此外，加筋土桥台中，在每层筋材内力最 大处附近，筋材与填土材料的横向变形协调，筋材和填土材料的横向应变量基本相同。目 前，美国联邦公路局的设计指南采用采用一种经验方法计算筋材内力，该方法以少量的现 场及模型试验为基础，缺乏足够的科学性。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性加筋土桥台筋材内 力计算方法，其中结合柔性加筋土桥台自身的结构特点，相应设计了一种适用于计算其筋 材内力的方法，实现加筋土桥台内各层筋材内力的快速计算，具有计算结果准确，科学性强 的优点。
[0005] 为实现上述目的，本发明提出了一种柔性加筋土桥台筋材内力计算方法，该方法 包括如下步骤：
[0006] 1)获取柔性加筋土桥台中填土材料以及当前层筋材的参数，并计算当前层筋材所 承受的最大竖向应力
[0007] 2)给定当前层筋材的内力T以及填土材料的竖向应力σ z、横向应力σ i、切线弹 性模量Et、切线泊松比μ ,的初始值，并计算填土材料的体积模量B的初始值；
[0008] 3)根据预设的竖向应力增量Δ ο z计算该应力增量下当前层筋材的内力增量：
[0010] 其中，J为筋材刚度；Sv为筋材层之间的竖向间距；
[0011] 4)令当前层筋材的内力T = Τ+Δ T，填土材料的竖向应力σ ζ= σ ζ+Δ σ z，填土材 料的横向应力σ1= 〇 1+AT/SV;然后计算填土材料在当前应力状态下的切线弹性模量Et、 体积模量B和切线泊松比μ t;
[0012] 5)对当前层筋材重复步骤3)和4)，直至，:得到当前层筋材的总内力；
[0013] 6)对柔性加筋土桥台中下一层筋材重复步骤1)~5)，直至完成所有筋材层的内 力计算。
[0014] 作为进一步优选的，所述最大竖向应力采用如下公式计算获得：
[0016] 其中，γ为填土材料的重度，21为当前层筋材至桥台上表面的距离，q为路面均布 荷载，Δ<:,"为桥梁荷载在民处所产生的附加竖向应力，R i位于桥梁荷载中心位置正下方。
[0017] 作为进一步优选的，所述填土材料的切线模量Et的初始值为lOOkPa ;切线泊松 比μ t的初始值为
，其中Φps为平面应变摩擦角；体积模量B的初始值为100/
[6 (0· 5- μ t)];
[0018] 作为进一步优选的，所述预设的竖向应力增量Δ σ z< lkPa。
[0019] 作为进一步优选的，所述步骤4)中当前应力状态下的切线弹性模量Et采用如下 公式计算获得：
[0021] 其中，pa为大气压，σ 1为当前应力状态下的横向应力，σ 2为当前应力状态下的竖 向应力，c为填土材料的内聚力，k、η及Rf为无量纲参数。
[0022] 作为进一步优选的，所述步骤4)中当前应力状态下的体积模量B采用如下公式计 算获得：
[0024] 其中，kb为体积模量参数。
[0025] 作为进一步优选的，所述步骤4)中当前应力状态下的切线泊松比μ t采用如下公 式计算获得：
[0027] 作为进一步优选的，所述体积模量参数kb采用如下公式计算获得：
[0029] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的 技术优点：本发明的柔性加筋土桥台的内力计算方法充分考虑了桥台中筋土的协调变形及 桥台的施工和受载过程，通过切线模量Et充分考虑填土材料的应力应变非线性特性，通过 体积模量B和切线泊松比μ t充分考虑填土材料体积变形的非线性；通过应用筋材的短期 和长期刚度，计算土工合成材料加筋土桥台由于土工合成材料筋材的时间相关特性所带来 的内力随时间变化，采用本发明的方法能够准确地确定柔性加筋土桥台筋材的内力，同时 具备清晰的力学机理基础，有较强的科学性。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明的柔性加筋土桥台的设计受力示意图；
[0031] 图2是本发明的柔性加筋土桥台的内力计算方法的具体流程图。
【具体实施方式】
[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033] 图1是本发明的柔性加筋土桥台的设计受力示意图。柔性桥台由填土材料1、加筋 层2,以及干砌混凝土模块面板3组成，桥台上表面受路面均布荷载4 (其为q)以及桥梁荷 载5(其为qb)的作用，加筋层之间的竖向间距6为Sv，桥梁荷载的作用宽度7为L，某层加 筋层离桥台上表面的距离8为Zl。
[0034] 图2是本发明的柔性加筋土桥台筋材内力计算方法的具体流程图，其技术原理是 根据每层筋材内力最大处附近筋材与填土材料的横向变形协调，并考虑填土材料的非线性 应力应变关系及横向变形特性以计算筋材的内力，该方法主要包括如下步骤：
[0035] 1)获取柔性加筋土桥台中填土材料以及当前层筋材的参数，并计算当前层筋材所 承受的最大竖向应力。
[0036] 上述参数主要包括填土材料的内聚力c、内摩擦角Φ &、平面应变摩擦角<i>ps、体积 模量参数kb、筋材刚度J以及无量纲参数k、η及Rf，其采用如下方式获得：
[0037] a)按照压实度要求准备填土材料1样本，进行两组不同围压下的固结排水三轴压 缩试验，获得填土材料1在两种围压下的应力应变关系曲线，应用双曲线方程对应力应变 关系曲线进行拟合，确定填土材料1的内聚力c、内摩擦角Φ&、Κη及Rf;
[0038] b)根据如下关系确定填土材料1的平面应变摩擦角<i>ps:当Φ 34°时，Φ ps=Φ tr; Φ tr> 34° 时，Φ ps= 1. 5 Φ tr-17° ;
[0039] c)根据公式（1)确定填土材料1的体积模量参数kb:
[0041 ] d)进行土工合成材料筋材的拉伸实验，确定筋材2的刚度J。
[0042] 最大竖向应力σ_?",采用公式⑵计算获得：
[0044] 其中，γ为填土材料的重度，21为当前层筋材至桥台上表面的距离，q为路面均布 荷载4, 为桥梁荷载5在民（即加筋层最大内力点9)处所产生的附加竖向应力，可根 据桥梁荷载5、桥梁荷载的作用宽度7、以及该层加筋层离桥台上表面的距离8,应用土力学 的布辛奈斯克解获得，民位于桥梁荷载中心位置的正下方。
[0045] 2)给定当前层筋材的内力T以及填土材料的竖向应力σ z、横向应力σ i、切 线弹性模量Et、切线泊松比以，的初始值，并计算填土材料的体积模量B的初始值，其 中初始内力T、筋材2高层处的填土材料1的初始竖向应力〇z、以及填土材料1的初 始横向应力均为零，填土材料1的初始切线模量Et= lOOkPa，初始切线泊松比
，填土材料1的初始体积模量B = 100/[6 (0. 5- μ t) ] (4);
[0046] 3)选定一竖向应力增量Δ σ